一種硅基高溫高電流密度整流管芯制備方法

初宜亭

青島航天半導(dǎo)體研究所有限公司 山東 青島 266000

0 引言

現(xiàn)有管芯加工制成的整流二極管功率密度低,結(jié)溫只能滿足最高175℃,體積較大,在追求體積小,重量輕,高溫等高可靠裝備領(lǐng)域,其應(yīng)用已明顯受限。因此在查找原因的同時(shí),創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路,從材料的選用、工藝參數(shù)的調(diào)整、新工藝的采用等方面,經(jīng)幾十次攻關(guān)試驗(yàn),終于研制成符合要求的高溫高電流密度整流管芯。

經(jīng)分析造成最高結(jié)溫和功率密度低的主要原因有:

●硅單晶材料位錯(cuò)及“星”形缺陷多；

●基區(qū)寬度設(shè)計(jì)計(jì)算不合理；

●燒結(jié)空洞率僅能控制在10%；功率密度太小。

●管芯高溫下(200℃)漏電流大于3m A。而且隨著時(shí)間的推移,漏電逐漸增大,呈漂移狀態(tài)。

1 高溫高電流密度管芯參數(shù)要求

高溫高電流密度管芯的參數(shù)要求:

①直徑Φ12mm；最高結(jié)溫TjM≧200℃

②電流密度大于0.60A/mm2(即額定平均電流IAV=70A)

③反向重復(fù)峰值電壓VRRM＞800V

④正向平均電壓VF＜0.60V(IF=70A 時(shí))

⑤高溫下反向漏電流小于0.8m A,且200℃下,漏電流不漂移。

2 研究內(nèi)容

針對找出的現(xiàn)有管芯不耐高溫及電流密度低的原因,課題組歷經(jīng)多年時(shí)間,從基礎(chǔ)材料著手,編輯思維導(dǎo)圖,針對TjM≧200℃,功率密度大于0.60A/mm2,高溫下漏電不漂移的目標(biāo)要求,制定攻關(guān)路線圖,項(xiàng)目取得成功。

2.1 高質(zhì)量硅單晶的選取 針對硅單晶材料缺陷多的問題,課題組利用聲掃探測等方法,對日本Shin-Etsu Handotai、丹麥TOPSIL、德國Siltronic、天津中環(huán)股份等幾家硅單晶企業(yè)生產(chǎn)的硅單晶進(jìn)行檢測,尋找位錯(cuò)等缺陷少的硅單晶。經(jīng)比對,最終選擇德國Siltronic的一批硅單晶,其位錯(cuò)密度小于3×103/cm2,而且分布均勻。

2.2 關(guān)鍵參數(shù)的研究 影響結(jié)溫和功率密度的參數(shù)主要有:材料的電阻率、擴(kuò)散結(jié)深和基區(qū)寬度、漏電流、燒結(jié)方法等:

2.2.1 硅材料電阻率和硅片厚度的選取 整流管芯的反向重復(fù)峰值電壓,受到p-n結(jié)雪崩電壓VB和穿通電壓VP的限制。見圖1:

圖1 p-n結(jié)雪崩電壓和穿通電壓隨電阻率的變化圖

從圖1中可以看出,原材料的電阻率決定著p-n結(jié)的雪崩電壓,要提高管芯的耐壓能力,必須采用較高電阻率的材料。如果原材料電阻率提高了,而硅片厚度和長基區(qū)保持不變,反向重復(fù)峰值電壓就要由穿通電壓決定,此時(shí),電阻率越高,穿通電壓反而越低。圖1的兩條穿通曲線對應(yīng)的長基區(qū)寬度分別為100微米(曲線2)和150微米(曲線1)。采用更長的基區(qū)寬度,可以提高穿通電壓。所以當(dāng)采用更高電阻率材料來提高管芯耐壓時(shí),必須同時(shí)相應(yīng)地增加硅片厚度(或基區(qū)寬度)。

根據(jù)以上發(fā)現(xiàn)的規(guī)律,結(jié)合本課題的指標(biāo)要求,設(shè)計(jì)出十幾個(gè)方案,在此列舉有特點(diǎn)的5個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù),說明電阻率及硅片厚度的選擇方案,試驗(yàn)對比數(shù)據(jù)如表1所示:

表1 硅單晶電阻率及厚度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1可以看出,第3方案即N 型區(qū)熔硅單晶,單晶電阻率為35歐姆·厘米,硅片厚度選擇270微米符合反向重復(fù)工作電壓大于800V 及正向平均電壓小于0.6V 的要求。

2.2.2 基區(qū)寬度的設(shè)計(jì) 對基區(qū)寬度進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),由于基區(qū)寬度直接關(guān)系到最高結(jié)溫、反向重復(fù)峰值電壓及正向平均壓降的合理性。課題組在已確定使用電阻率為35歐姆·厘米,厚度為270微米硅單晶的情況下,對管芯的基區(qū)寬度進(jìn)行了再設(shè)計(jì)。

根據(jù)如下公式:

其中VP是穿通電壓；ε是介電常數(shù)；ND是

長基區(qū)施主雜質(zhì)濃度；q為電子電荷量；Wn是長基區(qū)寬度。

由于管芯的反向工作電壓要求大于800V,現(xiàn)假設(shè)穿通電壓為1000V,ND取7×108cm-3,硅的介電常數(shù)ε為11.7,q為1.6×10-19C。根據(jù)式(2)計(jì)算Wn大約為131微米。

課題組進(jìn)行了比對試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 長基區(qū)寬度與穿通電壓試驗(yàn)比對表

從以上數(shù)據(jù)可以看出,擴(kuò)散結(jié)深選擇為140 微米,基區(qū)寬度選擇為130微米比較理想。這樣既可以確保反向重復(fù)峰值電壓大于800V,又可以保證正向平均電壓VF＜0.60V(IF=70A 時(shí))。達(dá)到最佳設(shè)計(jì)狀態(tài)。

2.2.3 增加電流密度的設(shè)計(jì) 根據(jù)公式

其中:Tjm-表示最高工作結(jié)溫；Tc—表示額定殼溫；Rjc—結(jié)殼熱阻；VFO—上限值的通態(tài)伏安特性曲線的門檻電壓；IAV—通態(tài)平均電流密度；VFM—正向峰值電壓；VAV-正向平均電壓。

我們可以通過提高最高結(jié)溫,降低殼溫、結(jié)殼熱阻和正向平均壓降來提高管芯的電流密度,即同樣的芯片面積通過較大的額定通態(tài)平均電流。

通過前道工序的工藝摸底攻關(guān),基本確定了硅單晶的種類、電阻率及基區(qū)寬度,也就基本確定了芯片(沒燒結(jié)上下鉬片時(shí)稱芯片,燒結(jié)后稱管芯)所能達(dá)到的最高結(jié)溫、反向工作電壓。因此要進(jìn)一步提高整個(gè)管芯的電流密度,必須降低正向峰值電壓VFM,來提高電流過載能力。由于管芯由上下鉬片、芯片、焊錫片等組成,各層之間的沾潤性好壞至關(guān)目前搪錫工藝總空洞率控制在15%(見圖2)。課題組在確保硅芯片、鉬片鍍鎳沾潤良好、高溫錫片無氧化的情況下,精心設(shè)計(jì)工裝(見圖4),改用燒結(jié)工藝代替搪錫工藝,依據(jù)表3試驗(yàn)數(shù)據(jù),確定燒結(jié)溫度曲線(見圖5),并據(jù)此進(jìn)行燒結(jié)。

表3 燒結(jié)空洞率與電流密度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3中空洞率是用工業(yè)超聲掃描儀檢測出來的,電流密度根據(jù)如下公式計(jì)算得到。本方法制備的管芯IAV=70A,管芯面積πR2=3.14×62=113.04mm2。

其中J表示電流密度,單位是A/mm2；IAV表示額定平均電流,單位是安培A；S表示截面積,單位是m2或mm2；KD表示空洞率,用%表示。

從表3中可以看出,第8個(gè)試驗(yàn)方案最好,空洞率等于2%時(shí),電流密度為0.606A/mm2,其聲掃照片見圖3。

圖2 搪錫工藝管芯空洞照片

圖3 燒結(jié)工藝管芯空洞照片

圖4 管芯燒結(jié)模具示意圖

圖5 燒結(jié)溫度曲線

經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在額定通態(tài)電流一定的情況下,空洞率越小,電流密度越大。只要總的空洞率控制在2%以內(nèi)。即可滿足電流密度大于0.6A/mm2的設(shè)計(jì)要求。

2.3 高溫(200℃)下,反向漏電流攻關(guān)措施 為了實(shí)現(xiàn)最高結(jié)溫達(dá)到200℃,項(xiàng)目組從多個(gè)原因中找到二個(gè)主要原因,并依次攻關(guān)落實(shí):

2.3.1 減小體內(nèi)漏電流 對于體內(nèi)漏電流,采取在1000℃左右溫度下進(jìn)行一次硼的氧化物擴(kuò)散,吸除硅片中的快擴(kuò)散雜質(zhì),進(jìn)而減少體內(nèi)漏電流,實(shí)際結(jié)果表4。

表4 進(jìn)行硼擴(kuò)散后的漏電流實(shí)測值

試驗(yàn)表明效果明顯,總漏電流下降1m A 左右,達(dá)50%以上。

2.3.2 對臺面進(jìn)行雙重保護(hù) 為防止外界對管芯特性的影響,對管芯臺面進(jìn)行雙層保護(hù),即先在臺面上用濺射法生成SiO2保護(hù)膜,然后再涂覆聚酰亞胺保護(hù)膠,以減少表面漏電流。對比結(jié)果如表5所示。

表5 臺面涂覆結(jié)果比較

用此辦法,器件在200℃下,800V 電壓下的漏電流可以維持在0.8m A以內(nèi),不漂移。

3 結(jié)果驗(yàn)證

3.1 投產(chǎn)驗(yàn)證 對有關(guān)問題全部攻關(guān)完成后,試投50只,對實(shí)驗(yàn)前和試驗(yàn)后各抽10只進(jìn)行對比測試,實(shí)際結(jié)果如表6:

表6 投產(chǎn)驗(yàn)證結(jié)果

至此,可以證明采取的措施有效,試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 固化后的工藝流程 固化后的工藝流程如下:

進(jìn)口德國硅單晶片→腐蝕清洗→擴(kuò)硼→磨片→再次硼氧化物擴(kuò)散→擴(kuò)磷→中測(測結(jié)深和基區(qū)寬度)→噴砂→硅片鍍鎳→高溫?zé)凉B→二次鍍鎳→割圓(將4英寸的硅單晶割成Φ11.8mm 的小晶圓)→鉬片鍍鎳→高溫?zé)Y(jié)→中測(檢測燒結(jié)空洞率)→臺面造型→臺面腐蝕并旋轉(zhuǎn)流水清洗→潔凈室烘干→濺射法形成sio2保護(hù)膜→聚酰亞胺保護(hù)→高溫固化→常溫測試→高溫測試→外觀檢查→包裝。

4 結(jié)論

經(jīng)過對傳統(tǒng)管芯的材料、工藝進(jìn)行重新設(shè)計(jì),達(dá)到了高溫高電流密度整流管芯的參數(shù)要求,突破的關(guān)鍵技術(shù)有:①管芯基區(qū)寬度設(shè)計(jì)更加合理；②管芯制作由搪錫工藝改進(jìn)為真空燒結(jié)工藝,空洞率小于2%；③增加一次硼擴(kuò)散,減少體內(nèi)漏電流。